冷弯成型有限元数值模拟及回弹分析
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摘要
随着我国经济的迅速发展，人们生活水平的不断提高，在生产和生活中人们将更多的应用外形美观、经济实用、安装方便的冷弯型钢产品，冷弯型钢作为高效经济型材的应用也越来越广泛。然而冷弯成型是一种复杂的板带深加工方法，金属板材在成型过程中存在着几何、材料和边界接触等多重非线性问题，而且影响成型过程的因素很多。因此，冷弯成型技术研究是一个复杂的课题。而我国冷弯成形理论研究的进展比较缓慢，辊式成型金属变形行为的研究尚不完善，生产中的工艺设计和孔型设计主要依靠设计者的经验知识，还不能很好的解决生产和设计中遇到的问题。
本文首先介绍了冷弯型钢的特点及应用，总结了国内外关于辊式冷弯成型理论研究的现状及发展趋势。并对冷弯成型基本理论和国内、外冷弯型钢CAD／CAE技术的发展现状作了详尽的叙述。接着对分析冷弯成型变形机理时所需要涉及到的材料、几何及接触三大非线性问题和冷弯型钢孔型设计的基本理论(料宽、弯曲角及回弹角等)进行了简述和归纳，阐述了本文立题的背景和意义。
考虑到实际冷弯成型过程本身是一个动力学过程，本文采用三维大变形有限元方法，根据实际生产的真实条件建立力学模型，用大型有限元软件ANSYS／LS-DYNA对C型板辊弯成型过程的三维变形过程进行了数值模拟。并系统的分析了成型过程中板料圆角和翼缘部位应力、应变的变化规律。此外，本文还研究了几种成型参数对成型过程的影响，得出了板料厚度、轧辊间距、成型角等因素对板料成型后应力、应变的影响规律。揭示板料成型规律，实现了研究方法的创新，具有一定的理论意义和实际价值。
此外，作者还利用ANSYS静态计算模块分析了C型钢的卸载反弹。探讨了材料的力学性质、硬化模型、板料厚度、轧辊间距及成型角等因素对辊弯成型回弹量的影响规律，得出了一些对实际生产有用的结论。最后将回弹模拟结果与实际生产中的回弹结果进行比较，验证模拟结果的可靠性，真正地使模拟结果能够用于指导实际生产。本论文的研究将对于冷弯型钢产品的开发、模具设计及回弹量的计算和控制都有很好的参考作用。
With the quick development of economy and the raise continuously of people's live level, more and more shape beauty、 economy practical、 install convenient cold-roll steel product will be applied in our country.As the application of the material of the efficiently economic is also more and more extensive. However, cold-roll forming is a complicated sheet and strip steel manufacturing method, the steel sheet own the characteristic of geometric nonlinearity, material nonlinearity and contact boundary nonlinearity on cold roll forming process.Moreover, a lot of factors affect its forming proves. So, cold roll forming technology is a complicated topic. It is relatively poorly understood in our country, and the roll design mainly depends on designer's experience, many problems in the design can't also be good to resolve.
First of all, this paper introduces domestic and international relevant forming craft technique、 forming theory、 numerical simulation of roll forming process. Combine to the mechanics basic theories and the domestic and international CAD/CAE development condition of cold-roll forming to make detailed description, And elaborated to the theories (geometric nonlinearity、 material nonlinearity and contact boundary nonlinearity) and mechanics foundation (Material width, model angle and spring-back etc) of cold-roll forming . Elaborated to the background and the meaning of this text.
Considering the actual forming process is a dynamics process, adopted the 3D elastic-plastic finite element method and based on true producing condition, the variety rules of forming stress and strain are analyzed by the numbers. Other important parameters are received by simulation and the reality simulation for C producing process is realized. This paper has also analyzed the roll forming process of the different thickness metal sheet ,and carried on systematic research of all kings of different forming parameters influencing on forming process. Get the factor of material thickness、 roller's distance and model angle to the stress and strain's influence regulation . This paper carry on theoretical and experimental research on roll forming process systematically.
Used the dynamic calculation result of ANSYS as the initial stress condition, the unloading values of the finished products are obtained by implicit calculating block . Considering the factor of the mechanics property of the material 、 the hardening model、 the
material thickness、 roller's distance and model angle to the influence with accuracy of the spring-back value, Combine with the spring-back value in produce， to verify credibility of the imitate result, make to imitate result be used for guiding actual production really . Moreover, The research results of this thesis have a good reference function for exploiting of new roll-forming products 、 roller mould design and the calculation and controls of spring-back.
本文首先介绍了冷弯型钢的特点及应用，总结了国内外关于辊式冷弯成型理论研究的现状及发展趋势。并对冷弯成型基本理论和国内、外冷弯型钢CAD／CAE技术的发展现状作了详尽的叙述。接着对分析冷弯成型变形机理时所需要涉及到的材料、几何及接触三大非线性问题和冷弯型钢孔型设计的基本理论(料宽、弯曲角及回弹角等)进行了简述和归纳，阐述了本文立题的背景和意义。
考虑到实际冷弯成型过程本身是一个动力学过程，本文采用三维大变形有限元方法，根据实际生产的真实条件建立力学模型，用大型有限元软件ANSYS／LS-DYNA对C型板辊弯成型过程的三维变形过程进行了数值模拟。并系统的分析了成型过程中板料圆角和翼缘部位应力、应变的变化规律。此外，本文还研究了几种成型参数对成型过程的影响，得出了板料厚度、轧辊间距、成型角等因素对板料成型后应力、应变的影响规律。揭示板料成型规律，实现了研究方法的创新，具有一定的理论意义和实际价值。
此外，作者还利用ANSYS静态计算模块分析了C型钢的卸载反弹。探讨了材料的力学性质、硬化模型、板料厚度、轧辊间距及成型角等因素对辊弯成型回弹量的影响规律，得出了一些对实际生产有用的结论。最后将回弹模拟结果与实际生产中的回弹结果进行比较，验证模拟结果的可靠性，真正地使模拟结果能够用于指导实际生产。本论文的研究将对于冷弯型钢产品的开发、模具设计及回弹量的计算和控制都有很好的参考作用。
With the quick development of economy and the raise continuously of people's live level, more and more shape beauty、 economy practical、 install convenient cold-roll steel product will be applied in our country.As the application of the material of the efficiently economic is also more and more extensive. However, cold-roll forming is a complicated sheet and strip steel manufacturing method, the steel sheet own the characteristic of geometric nonlinearity, material nonlinearity and contact boundary nonlinearity on cold roll forming process.Moreover, a lot of factors affect its forming proves. So, cold roll forming technology is a complicated topic. It is relatively poorly understood in our country, and the roll design mainly depends on designer's experience, many problems in the design can't also be good to resolve.
First of all, this paper introduces domestic and international relevant forming craft technique、 forming theory、 numerical simulation of roll forming process. Combine to the mechanics basic theories and the domestic and international CAD/CAE development condition of cold-roll forming to make detailed description, And elaborated to the theories (geometric nonlinearity、 material nonlinearity and contact boundary nonlinearity) and mechanics foundation (Material width, model angle and spring-back etc) of cold-roll forming . Elaborated to the background and the meaning of this text.
Considering the actual forming process is a dynamics process, adopted the 3D elastic-plastic finite element method and based on true producing condition, the variety rules of forming stress and strain are analyzed by the numbers. Other important parameters are received by simulation and the reality simulation for C producing process is realized. This paper has also analyzed the roll forming process of the different thickness metal sheet ,and carried on systematic research of all kings of different forming parameters influencing on forming process. Get the factor of material thickness、 roller's distance and model angle to the stress and strain's influence regulation . This paper carry on theoretical and experimental research on roll forming process systematically.
Used the dynamic calculation result of ANSYS as the initial stress condition, the unloading values of the finished products are obtained by implicit calculating block . Considering the factor of the mechanics property of the material 、 the hardening model、 the
material thickness、 roller's distance and model angle to the influence with accuracy of the spring-back value, Combine with the spring-back value in produce， to verify credibility of the imitate result, make to imitate result be used for guiding actual production really . Moreover, The research results of this thesis have a good reference function for exploiting of new roll-forming products 、 roller mould design and the calculation and controls of spring-back.
引文
[1] 王有铭，型钢生产理论与工艺，北京：冶金工业出版社，1996
[2] 罗亚军等，板料成型中的有限元数值模拟技术，金属成形工艺，2000(6)
[3] 刘洋，谢伟平，冷弯型钢发展与应用综述，钢结构，2004年第6期第19卷
[4] 朱少文，冷弯型钢在建筑工程中的应用，工程建设与设计，2004年第12期
[5] 何保康，周天华，美国冷弯型钢的应用与研究情况，建筑结构，2001(8)58-59
[6] 石京，王先进，国内外冷弯成型研究最新发展，轧钢，1998年10月第5期
[7] 姜复生，袁小光，我国冷弯型钢生产的特点及发展，钢铁，2000年9月第9期
[8] 周利鹏，周宏宇，刘智冲，冷弯型钢特点及其生产发展，维普资讯，文章编号：1672-0121(2005)
[9] 王得水，冷弯型钢CAD网络化远程设计技术研究，燕山大学硕士学位论文，2004
[10] 冀相安，异型槽板冷弯成型过程数值模拟，鞍山科技大学硕士学位论文，2003，2
[11] 冯光纯，发展冷弯型钢，四川冶金，1999年第1期
[12] 崔银会，奚铁，冷弯型钢在我国建筑业应用前景分析，钢结构，2004年第2期第19卷
[13] 沈启等，金属板料成型工艺CAD／CAE智能化集成研究，锻压技术，2000，No，1
[14] 陈文亮，板料成型CAE分析教程，北京：机械工业出版社，2005，2
[15] 高丽华，王成轩，冷弯型槽钢腰部成型辊上最大压力影响因素综合分析，机械设计与制造，2004年4月第2期
[16] 何保康，李风，丁国良，冷弯型钢在房屋建筑中的应用与发展，焊管，2002年9月第25卷
[17] 刘继英，艾正青，辊弯成型CAD／CAM技术的应用与发展，北方工业大学学报，1999(3)48～54
[18] 刘继英，冷弯成型CAD／CAM的一体化技术，北方工业大学学报，1996(9)16～23
[19] 丁国良，中国冷弯型钢生产面临第二次发展高潮，2004年中国国际冷弯型钢技术设备研讨会
[20] 王大齐，冷弯型钢特点及其应用，2004年中国国际冷弯型钢技术设备研讨会
[21] 张中权，冷弯薄壁型钢结构设计手册，中国建筑工业出版社，1996，3
[22] 王欣，H型钢轧制过程的计算机仿真，北京科技大学学报，2003年第12期
[23] 王先进，冷弯型钢生产及应用，北京：冶金工业出版社，1994
[24] 吴振强，张曙红，张代明，冷弯成型局部大变形测试装置设计与研究，2004年中国国际冷弯型钢技术设备研讨会
[25] 李普曼，金属成形过程的工程塑性理论，北京：冶金工业出版社，1988
[26] 王时越，潘琪，李建云，实验力学，高等学校试用教材，2004，2
[27] 宋逸先，实验力学基础，水利电力出版社，1986
[28] [苏]翁克索夫著，王伯仁等译，金属塑性变形理论，北京：机械工业出版社，1992
[29] 李尧，金属塑性成型原理，北京：机械工业出版社，2004
[30] 赵志业，金属塑性加工力学，北京：冶金工业出版社，1986
[31] 罗子健，金属塑性加工理论与工艺，西北工业大学出版社，1994
[32] E．G．汤姆生，C．T．杨，小林史郑著，金属塑性加工力学，知识出版社，1989
[33] 刘助柏，塑性成形新技术及其力学原理，北京：机械工业出版社，1995
[34] 兑关锁，冷弯型钢纵向变形的理论分析及计算，钢铁研究学报，1997年第二期第9卷
[35] 郭盛，郭耀杰，冷弯残余应力场研究，结构分析与计算，2003年第5期第18卷
[36] 白井英治，白坚高洋，金属加工力学[M]，廉元国译，北京：国防工业出版社，1981
[37] 宋天霞等，非线性结构有限元计算，，华中理工大学出版社，1996，4
[38] 龚尧南，结构分析中的非线性有限元素法，北京航空学院出版社，1986，11
[39] 刘北辰等，工程计算力学—理论与应用，北京：机械工业出版社，1990，10
[40] 蒋友谅，非线性有限元法，北京工业学院出版社，1988，6
[41] 吕和祥，蒋和洋，非线性有限元，化学工业出版社，1992，10
[42] 徐秉业，刘信声，应用弹塑性力学，北京：清华大学出版社，1995
[43] 徐树成，辊弯成型的三维大变形有限元模拟：[博士学位论文]秦皇岛，燕山大学，1997
[44] 韩志武，基于大变形有限条法的冷弯成型计算机模拟与专家系统技术的研究：[博士学位论文]，秦皇岛，燕山大学，1998
[45] 时党勇，李裕春，张胜民，基于ANSYS／LS-DYNA8.1进行显式动力分析，清华大学出版社，2005，1
[46] 张波，ANSYS有限元数值分析原理与工程应用，清华大学出版社，2005，09
[47] 王菘，董春敏等，有限元分析电子工业出版社，2005，08
[48] 尚小江，ANSYS／LS-DYNA动力分析方法与工程实例，中国水利水电出版社，2006，01
[49] 赵海峰，蒋迪，ANSYS8.0工程结构实例分析，中国铁道出版社，2004，11
[50] 龚曙光，ANSYS基础应用及范例分析，北京：机械工业出版社，2004，6
[51] 张晓静，周贤宾，板料成形回弹模拟，塑性工程学报，1999年9月第3期
[52] 王飞龙，张代明，张曙红，冷弯型钢成型回弹过程有限元模拟研究，昆明理工大学学报，2004年12月第29卷第6期
[53] 冯英强，C型钢的孔型设计方法，焊管，2000年3月第23卷第2期
[54] 王飞龙，张代明，张曙红，大型结构分析软件在冷弯成型过程仿真中的应用，2004年中国国际冷弯型钢技术设备研讨会
[55] LS-DYNA Keyword USER, S Manual for Version 970, Livermore Software Technology Corporation, March, 2001
[56] Halmos George T, Dobrev Atanas, Roll forming into the 21st century, SME Technical Paper (Series) MF, 1993 p1～17
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[58] ANSYS/LS-DYNA User's Guide, ANSYS Inc, October 2002
[59] John O, Hallquist, LS-DYNA Theoretical Manual, Livermore Sofeware Technology Corporation, May 1998
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[64] 赵叶锋，U形件弯曲回弹的数值模拟及预测与优化控制，扬州大学硕士学位论文，2005，05
[65] 刘斌，王敏杰，V型构件弯曲回弹的影响因素及其实验研究锻压机械，2002
[66] 李春侠，冷弯成型力学理论模拟及实验研究：[硕士学位论文]，昆明理工大学，2005
[67] 赵生莲，冷弯成型过程的有限元数值模拟：[硕士学位论文]，昆明理工大学，2005
[68] 郑军兴，张曙红，冷弯成型有限元模拟及回弹分析，山西建筑2006，9
[69] 林治平，金属塑性变形的实验方法，北京：冶金工业出版社，2002，6
[70] 李尚健，金属塑性成型过程模拟，北京：机械工业出版社，1999
[71] 张立力，板材成形回弹数值模拟和模具补偿方法研究，机械科学研究院硕士论文，2001，06
[72] 刘克进，薄板冲压回弹试验研究及有限元模拟对比分析，湖南大学硕士学位论文，2004，04
[73] 赵国伟，王元勋等，板料成型回弹的数值模拟与影响因素冲压，2005，3
[74] 谷瑞杰，杨合等，弯曲成型回弹研究进展机械科学与技术，2004，07
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